CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
3.2. Tính toán, lựa chọn, thiết kế cơ khí
3.2.4. Tính toán, lựa chọn động cơ
Động cơ là bộ phận quan trọng nhất trong quá trình chuyển động, nó cung cấp mô men cho bánh xe để thực hiện việc di chuyển. Quá trình này thì phụ thuộc lớn vào khối lượng của xe và ma sát giữa bánh xe với bề mặt di chuyển. Khi khởi động công suất tiêu thụ đạt tối đa.Với yêu cầu nhóm đặt ra là tính từ lúc bắt đầu khởi động đến khi di chuyển được 0.3m thì đạt được tốc độ 0.3m/s.
Từ công thức liên hệ giữa quãng đường, vận tốc và gia tốc:
2 2
o 2. .
v −v = a s (3.7)
Trong đó:
• v: Vận tốc khi Robot di chuyển (m/s)
• vo: Vận tốc ban đầu của Robot (m/s)
• s: Quãng đường di chuyển của Robot (m)
• a: Gia tốc của Robot (m/s2) Ta có gia tốc của Robot:
2 2 2 2
0.3 0 2
0.15 /
2. 2*0.3
v vo
a m s
s
− −
= = = (3.8)
46
Dựa vào yêu cầu thiết kế, xét trường hợp robot chuyển động thẳng trên bề mặt bê tông khô, tiến hành phân tích lực tác dụng lên Robot:
Hình 3.8 Phân tích lực tác dụng lên Robot Trong đó:
• 𝑃⃗ là trọng lực tác dụng lên Robot
• 𝑁⃗⃗ là phản lực
• 𝐹 là lực dùng cho Robot di chuyển
• 𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑚𝑠 là lực ma sát giữa bề mặt bánh xe so với mặt sàn
Hiệu suất của hệ thống dẫn động bao gồm bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng trụ (bên trong hộp số của động cơ) và một cặp ổ lăn sẽ được tính dựa theo công thức (2.9) – sách “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (T1) – Trịnh Chất – Lê Văn Uyển” [1]. Các trị số hiệu suất của từng bộ truyền được lấy từ bảng 2.3 – sách “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (T1) – Trịnh Chất – Lê Văn Uyển”. Ta có:
2
d br ol
= (3.9)
=0.96 0.98 20.99=0.91 Trong đó:
• 𝜂đ: Hiệu suất bộ truyền đai
• 𝜂𝑏𝑟: Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ
• 𝜂𝑜𝑙: Hiệu suất một cặp ổ lăn
47
Bảng 3.1 Các thông số ban đầu của Robot
STT Thông số Giá trị
1 Khối lượng tối đa (m) 12 kg
2 Vận tốc tối đa (v) 0.3 m/s
3 Gia tốc tối đa (a) 0.15 m/s2
4 Hệ số ma sỏt (à) 0.7
5 Gia tốc trọng trường (g) 10 m/s2
6 Hiệu suất hệ thống dẫn động (𝜂) 0.91
7 Đường kính bánh xe (d) 100 mm
Trước khi tính toán chọn động cơ, ta cần xác định khối lượng mà mỗi bánh xe chủ động cần phải chịu. Xét đến xe đang di chuyển, bởi vì toàn bộ chuyển động của xe đều phải được phối hợp thực hiện thông qua sự cung cấp mô men từ hai động cơ cho hai bánh dẫn động, hai bánh dẫn hướng tuy có tham gia chịu lực nhưng tác dụng chính vẫn chỉ là giữ thăng bằng và bởi vì không sinh ra mô men nên khi bỏ qua sự chịu lực của hai bánh dẫn hướng cũng sẽ không ảnh hưởng trực tiếp đến mô men cần thiết của hai bánh chủ động. Do đó để đảm bảo động cơ được tính toán, lựa chọn đáp ứng được công suất cũng như mô men, ta tiến hành chia tổng khối lượng Robot đều cho hai bánh chủ động. Lúc này mỗi bánh chủ động sẽ phải chịu một khối lượng là 6kg Áp dụng định luật II Newton ta có:
F +Fms + +P N =ma (3.10)
F Fms ma
= + (3.11)
F =mg+ma (3.12)
=0.7 6 10 + 6 0.15=43.125( )N Từ đó ta tính được công suất cần thiết như sau:
. P F v
= (3.13)
48
43.125 0.3 14.22( )
0.91 W
= =
Mô men xoắn cần thiết:
ct .
T =F r (3.14)
=43.125 0.05 =2.16(Nm) Tốc độ tối đa của động cơ với v = 0.3 m/s = 18 m/phút:
1000 . N v
D
= (3.15)
18 1000 57.3( / )
100 vòng phút
= =
Sau khi tính toán nhóm tác giả đã tiến hành xem xét trên thị trường, tìm hiểu các dòng động cơ có thể đáp ứng đầy đủ các thông số trên. Cuối cùng động cơ Mabuchi MS- 555VC-5524 là lựa chọn phù hợp.
Hình 3.9 Động cơ Mabuchi MS-555VC-5524 (Nguồn: Mabuchi Motor)
Hình 3.10 Thông số kỹ thuật động cơ từ nhà sản xuất
49
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động cơ ở điều kiện hoạt động hiệu quả nhất
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp hoạt động 12 V
2 Dòng điện ổn định 4.71 A
3 Dòng điện tối đa 38 A
4 Tốc độ 114 r/min
5 Công suất 26.5 W
6 Mô men xoắn 2.22 Nm
7 Trục động cơ 6 mm
8 Chiều dài tối đa 125.2 mm
9 Đường kính thân tối đa 38.5 mm
Từ thông số của động cơ, để hoạt động ổn định trong thời gian dài nhóm tác giả quyết định chọn tỉ số truyền từ động cơ đến trục công tác là 1:2 để tăng khả năng cung cấp mô men của động cơ mà vẫn đáp ứng tốc độ cần thiết.